Only Perception: 如同達爾文的雀鳥科學家使分子演化、競爭

2009-05-05

如同達爾文的雀鳥科學家使分子演化、競爭

Darwin in a test tube: Scientists make molecules that evolve, compete, mimick behavior of Darwin's finches
http://www.physorg.com/news160231764.html

April 29th, 2009

如同一篇發表在本週 PNAS 期刊早期線上版的文章所描述，這項研究證明了某些古典演化原理。例如，研究者證明不同物種會為了同樣有限的資源直接競爭，只有最適合者得以倖存。這項研究亦證明，在給予各種資源的情況下，不同物種如何、何時會演化成更加特化的、在它們共同的生態系中各自填補不同利基（niches）。

由 Sarah Voytek, Ph.D.（最近由 Scripps Research Kellogg 科學與技術學院授與）所進行，這項研究意在更進一步了解達爾文的演化論。利用分子而非活物種，提供了一種強健的方法來辦到這件事，因為那允許演化之力透過一根裝有數兆分子、每幾分鐘複製一次的試管，在不超過數天的時程內做完。

"我們能非常迅速地研究東西，" Scripps Research Gerald Joyce, M.D., Ph.D. 教授說，她是 Voytek 的指導教授以及她論文的共同作者。Joyce，是院長，同時也是分子生物學系、化學系與 Skaggs 生物化學研究所的教授。

在小獵犬號（HMS Beagle）的旅程中，達爾文收集並研究 Galapagos 群島上數種不同的雀科鳴鳥（finches）物種。這些雀鳥的喙部結構不同 -- 某些是厚、強的鳥嘴而其他則是薄、脆的鳥喙。達爾文觀察到不同的雀鳥每一種都已適應某種特定類型的種子，成為牠們主要的食物來源。那些嘴大的鳥原生在大種子生長處；在那些區域中也有小種子，而那裡也有嘴小的鳥類。達爾文理解到，這些雀鳥有一種共同的祖先，不過分離成不同物種 -- 這是達爾文演化論中一種古典概念，稱為「利基分割（niche partitioning）」，那指出，當兩物種在一共同環境中為了資源而競爭時，它們會變得有所差異（differentiated，分化），故每一物種使自己適應於使用其偏好的資源。

數年來，Joyce 以一種特殊類型的酵素 RNAs 分子進行實驗，那能在試管中不斷演化。這種演化的基礎來自於這個事實：每當其中一個分子複製時，這裡有個它將突變的機會 -- 每回複製時通常約一次 -- 故隨著時間過去族群可獲得新特徵。

二年前，Voytek 成功開發第二種無關的酵素 RNAs 分子，那也能夠持續演化。這讓她能在同一罐（pot）內的演化運動中安排二種 RNAs 分子，迫使它們競逐共同資源，正如 Galapagos 一座小島上的二種雀鳥物種。

在這項新研究中，關鍵資源，或「食物」，是提供每個 RNAs 複製時所必要的分子。只有當 RNAs 已完成使它們自己附著到這些食物分子的催化時，RNAs 才會複製。只要 RNAs 擁有充沛的食物，它們將會複製，而且當它們複製時，它們將突變。隨著時間過去，當這些突變累積下來，新形態就會浮現 -- 某些比其他的更適合。

當 Voytek 與 Joyce 使這二種 RNA 分子陷入一種為了單一食物來源而進行的肉搏戰競中，她們發現那些更適應使用某種獨特食物的分子勝出。較不適應的 RNA 會隨著時間消失。她們接著將這二種 RNA 分子一起放入具有五種不同食物來源（在這之前它們都不曾遇過）的罐中。在實驗開始時，每種 RNA 能利用全部五種類型的食物 -- 但這些並沒有利用的特別好。然而，在經過數百代的演化後，這二種分子每個都獨立適應使用五種食物來源中不同的一種。它們的偏好彼此互斥 -- 每一種均高度偏好屬於它們自己的食物來源，並躲避其他分子的食物來源。

在此過程中，分子演化出不同的演化途徑（evolutionary approaches）來達成它們的目標。一種變成對其食物的狼吞虎嚥上超有效率，以一種比其他快約百倍的效率辦到這件事。另一種在取得食物上比較慢，不過每一代所產生的後代會多出三倍。Joyce 說，這些例子都是為了存活而採用的古典演化策略。

※ 相關報導：

＊ Niche partitioning in the coevolution of 2 distinct RNA enzymes
http://www.pnas.org/content/early/2009/04/29/0903397106.abstract